JP2023043395A - Multiaxial fiber base material, and fiber-reinforced resin molding using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、多軸繊維基材及びこれを用いた強化繊維樹脂成形体に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a multiaxial fiber base material and a reinforcing fiber resin molding using the same.
強化繊維材料である炭素繊維は、各種のマトリックス樹脂と複合化され、得られる炭素繊維強化プラスチックは種々の分野・用途に広く利用されるようになってきた。炭素繊維強化プラスチックは高い機械的特性や耐衝撃性を有しているため、航空・宇宙分野、スポーツ用途、自動車、風車ブレードなどの一般産業分野にも用いられている。炭素繊維は比強度と比弾性率が高く、炭素繊維束を含む多軸繊維基材とマトリックス樹脂と複合させた複合材料は、強度と軽量性に優れた材料となる。この複合材料の成形方法としては、多軸繊維基材に熱硬化性樹脂を含浸させるため、生産性の高いレジントランスファーモールディング法(RTM法)や真空状態で成形を行うバキューム・アシスティッド・レジントランスファ成形法(VaRTM法)等が挙げられる。成形は、熱硬性樹脂の特性上、含浸性と含浸速度が重要となる。含浸性が不十分であると強度が低下し、含浸速度が低いと製品不良となる。 Carbon fiber, which is a reinforcing fiber material, is compounded with various matrix resins, and the obtained carbon fiber reinforced plastics have come to be widely used in various fields and applications. Because carbon fiber reinforced plastics have high mechanical properties and impact resistance, they are also used in general industrial fields such as the aerospace field, sports applications, automobiles, and wind turbine blades. Carbon fibers have high specific strength and high specific elastic modulus, and a composite material obtained by combining a multiaxial fiber base material containing carbon fiber bundles with a matrix resin is excellent in strength and light weight. As a molding method for this composite material, since the thermosetting resin is impregnated into the multiaxial fiber base material, the highly productive resin transfer molding method (RTM method) and the vacuum assisted resin transfer molding method in which molding is performed in a vacuum state are used. method (VaRTM method) and the like. Impregnability and impregnation speed are important in molding due to the characteristics of thermosetting resin. Insufficient impregnation results in reduced strength, and low impregnation speed results in defective products.
特許文献1には、製造コストの安価な太い炭素繊維糸を用いても、炭素繊維糸間に隙間が生じない状態で炭素繊維糸が均一に配列されるように糸幅が炭素繊維糸の配列ピッチに拡げられ、多軸繊維基材の厚みを薄くして、成形性を改善する技術が提案されている。
特許文献2には、マトリックス樹脂の含浸が良好で、力学特性優れる複合材料生産性良く得ることを目的として、繊維束を、引き出しにより、目標幅に正確かつ安定して制御する技術が提案されている。
特許文献3には、多軸繊維基材にマトリックス樹脂含浸させて炭素繊維強化複合材料製造する際の含浸性の向上のために、炭素繊維の単繊維の繊度を1.2~2.4dtexとし、炭素繊維糸条を並列に配置したシートの積層角度が制御された多軸繊維基材が開示されている。
In
In
しかし、多軸繊維基材を用いて成形される強化繊維樹脂成形体における繊維体積比率(Vf)が高く、多軸繊維基材が長尺となる場合、樹脂の含浸性や含浸速度が低下する問題があり、さらなる改善が求められている。 However, when the fiber volume ratio (Vf) in the reinforcing fiber resin molded article molded using the multiaxial fiber base material is high and the multiaxial fiber base material is long, the resin impregnation property and impregnation speed are reduced. There is a problem and further improvement is required.
本発明は、成形時の樹脂の含浸性と含浸速度が良好な多軸繊維基材及びこれを用いて成形された強化繊維樹脂成形体を提供する。 The present invention provides a multiaxial fiber base material having good resin impregnation property and impregnation speed during molding, and a reinforcing fiber resin molded article molded using the same.
本発明は、一態様において、炭素繊維束が並列に配置されている強化繊維層と、炭素繊維以外の補助繊維が前記炭素繊維束の長手方向とは異なる角度で配置されている補助繊維層とを含み、前記炭素繊維束と前記補助繊維とがステッチ糸で一体化された多軸繊維基材であって、前記ステッチ糸は、捲縮を有する複数本のマルチフィラメント糸の撚糸である、多軸繊維基材に関する。 In one aspect of the present invention, a reinforcing fiber layer in which carbon fiber bundles are arranged in parallel, and an auxiliary fiber layer in which auxiliary fibers other than carbon fibers are arranged at an angle different from the longitudinal direction of the carbon fiber bundles. wherein the carbon fiber bundle and the auxiliary fibers are integrated with a stitch yarn, wherein the stitch yarn is a twisted yarn of a plurality of crimped multifilament yarns. It relates to an axial fiber base material.
本発明は、一態様において、本発明の多軸繊維基材に熱硬化性樹脂が含浸した、強化繊維樹脂成形体に関する。 In one aspect, the present invention relates to a reinforcing fiber resin molded article in which the multiaxial fiber base material of the present invention is impregnated with a thermosetting resin.
本開示の多軸繊維基材は、炭素繊維束と補助繊維を一体化するためのステッチ糸として、捲縮を有する複数本のマルチフィラメント糸の撚糸を使用することにより、成形時の樹脂の含浸性と含浸速度が良好である。すなわち、ステッチ糸を通じて多軸繊維基材に樹脂が含浸しやすく、含浸速度が高くなり、樹脂の含浸性が良好な強化繊維樹脂成形体を提供できる。 The multiaxial fiber base material of the present disclosure uses twisted yarns of multiple multifilament yarns having crimps as stitch yarns for integrating carbon fiber bundles and auxiliary fibers, thereby impregnating resin during molding. Good properties and impregnation rate. That is, the multiaxial fiber base material is easily impregnated with the resin through the stitch yarns, the impregnation rate is increased, and a reinforcing fiber resin molded article having good resin impregnation can be provided.
[多軸繊維基材]
本発明は、一態様において、複数の炭素繊維束が一方向に配列された強化繊維層と、炭素繊維以外の補助繊維が炭素繊維束の長手方向(配向方向)とは異なる角度で配置されている補助繊維層を含み、前記炭素繊維束と前記補助繊維とを一体化するためのステッチ糸として、捲縮を有する複数本のマルチフィラメント糸の撚糸を使用している。
炭素繊維束は、多軸繊維基材において、主たる強化繊維層であり、多数本の炭素繊維から構成されるトウ状の炭素繊維を使用するのが好ましい。補助繊維は、ガラス繊維、アラミド(パラ系、メタ系を含む)繊維、ポリアリレート繊維、ポリ(p-フェニレンベンゾビスオキザール)(PBO)繊維、ポリ(p-フェニレンベンゾビスチアゾール)(PBZT)繊維、高分子量ポリエチレン繊維、ポリエーテルエーテルケトン繊維、又はポリビニルアルコール繊維などの炭素繊維以外の繊維が好ましい。これらの中でも、コスト、強度、耐久性等の観点からガラス繊維が好ましい。
[Multiaxial fiber base material]
In one aspect of the present invention, a reinforcing fiber layer in which a plurality of carbon fiber bundles are arranged in one direction, and auxiliary fibers other than carbon fibers are arranged at an angle different from the longitudinal direction (orientation direction) of the carbon fiber bundles. A twisted yarn of a plurality of crimped multifilament yarns is used as a stitch yarn for integrating the carbon fiber bundle and the auxiliary fiber.
The carbon fiber bundle is the main reinforcing fiber layer in the multiaxial fiber base material, and it is preferable to use tow-like carbon fibers composed of a large number of carbon fibers. Auxiliary fibers include glass fiber, aramid (including para-type and meta-type) fiber, polyarylate fiber, poly(p-phenylenebenzobisoxale) (PBO) fiber, poly(p-phenylenebenzobisthiazole) (PBZT) Fibers other than carbon fibers are preferred, such as fibers, high molecular weight polyethylene fibers, polyetheretherketone fibers, or polyvinylalcohol fibers. Among these, glass fiber is preferable from the viewpoint of cost, strength, durability, and the like.
強化繊維層は、多軸繊維基材において、一層であってもよいが、二層以上であってもよい。二層以上の場合、互いに異なる強化繊維層の炭素繊維束の長手方向は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。多軸繊維基材において、強化繊維層が1層以上ある場合、少なくとも1層の炭素繊維束の長手方向(配向方向)は、多軸繊維基材の長手方向(MD方向)と同方向であると好ましい。 The reinforcing fiber layer may be one layer or two or more layers in the multiaxial fiber base material. In the case of two or more layers, the longitudinal directions of carbon fiber bundles in different reinforcing fiber layers may be the same or different. When the multiaxial fiber base material has one or more reinforcing fiber layers, the longitudinal direction (orientation direction) of at least one layer of carbon fiber bundles is the same as the longitudinal direction (MD direction) of the multiaxial fiber base material. and preferred.
補助繊維が前記炭素繊維束の長手方向とは異なる角度で配置されている補助繊維層は、一層であってもよいが、二層以上であってもよい。補助繊維は、その長手方向が、炭素繊維束の長手方向とは異なる角度で配置されている。強化繊維層が複数層ある場合、補助繊維の配向方向は、少なくとも1層の強化繊維層の炭素繊維束の長手方向と異なっていればよいが、いずれの強化繊維層の炭素繊維束の長手方向とも異なっていると好ましい。補助繊維層が、例えば、二層である場合、例えば、多軸繊維基材の長手方向と炭素繊維束の長手方向が同じである、基準となる強化繊維層の炭素繊維束の長手方向を0°としたとき、一方の補助繊維層の補助繊維の長手方向は+60°とし、他方の補助繊維層の補助繊維の長手方向は-60°とする。別の例としては、基準となる強化繊維層の炭素繊維束の長手方向の方向を0°としたとき、一方の補助繊維層の補助繊維の長手方向は+45°とし、他方の補助繊維層の補助繊維の長手方向は-45°とする。炭素繊維束と補助繊維との角度の関係は任意とすることができる。 The auxiliary fiber layer in which the auxiliary fibers are arranged at an angle different from the longitudinal direction of the carbon fiber bundle may be one layer, or may be two or more layers. The auxiliary fibers are arranged such that their longitudinal direction is at a different angle from the longitudinal direction of the carbon fiber bundle. When there are a plurality of reinforcing fiber layers, the orientation direction of the auxiliary fibers should be different from the longitudinal direction of the carbon fiber bundles of at least one reinforcing fiber layer, but the longitudinal direction of the carbon fiber bundles of any reinforcing fiber layer It is preferable that both are different. For example, when the auxiliary fiber layer is two layers, for example, the longitudinal direction of the carbon fiber bundles of the reference reinforcing fiber layer, which is the same as the longitudinal direction of the multiaxial fiber base material and the carbon fiber bundles, is set to 0 °, the longitudinal direction of the supplementary fibers of one supplementary fiber layer is +60°, and the longitudinal direction of the supplementary fibers of the other supplementary fiber layer is −60°. As another example, when the longitudinal direction of the carbon fiber bundle of the reinforcing fiber layer serving as a reference is 0°, the longitudinal direction of the auxiliary fibers of one auxiliary fiber layer is +45°, and the other auxiliary fiber layer The longitudinal direction of the auxiliary fibers is -45°. The angle relationship between the carbon fiber bundles and the auxiliary fibers can be arbitrary.
本発明の多軸繊維基材を構成するステッチ糸は、捲縮を有する複数本のマルチフィラメント糸の撚糸である。前記ステッチ糸としては、複数本のマルチフィラメント糸に対して、実撚り-熱セットを複数回繰り返した糸、実撚-追撚糸、仮撚-追撚糸、実撚り-仮撚糸、ニット・デニット糸の追撚糸、又はサイド・バイ・サイド複合糸もしくは偏心コンジュゲート糸を熱処理して捲縮を発現させた糸の追撚糸などがあげられる。これらの中でも、実撚り-熱セットを複数回繰り返した糸が好ましく、実撚り-熱セットを2回繰り返した糸がより好ましい。この糸は、例えば生糸(未加工の糸)を2~10本引き揃えて実撚し、100~150℃で熱セットし、再度同一又は逆方向に実撚し、100~150℃で熱セットすることにより得られる。また、実撚-追撚糸も好ましく、この糸は、例えばマルチフィラメント糸の生糸を2~10本引き揃えて実撚し、100~150℃で熱処理しながら、再度同一方向に追撚することにより得られる。各々の撚り回数は、好ましくは180~280回/mであり、撚り方向は、S撚り(右)、Z撚り(左)のいずれであってもよい。 The stitch yarn constituting the multiaxial fiber base material of the present invention is a twisted yarn of a plurality of crimped multifilament yarns. As the stitch yarn, a plurality of multifilament yarns are subjected to real twisting and heat setting multiple times, real twisting-secondary twisting yarn, false twisting-secondary twisting yarn, real twisting-false twisting yarn, knit / denit yarn. or a additionally twisted yarn obtained by heat-treating a side-by-side composite yarn or an eccentric conjugate yarn to develop a crimp. Among these, a yarn obtained by repeating real twisting and heat setting a plurality of times is preferable, and a yarn obtained by repeating real twisting and heat setting twice is more preferable. For this yarn, for example, 2 to 10 raw yarns (unprocessed yarn) are aligned, real twisted, heat set at 100 to 150 ° C., real twisted again in the same or opposite direction, and heat set at 100 to 150 ° C. obtained by In addition, a real twist-secondary twist yarn is also preferable, and this yarn is obtained by, for example, arranging 2 to 10 multifilament raw yarns, real twisting them, and re-twisting them in the same direction while heat-treating at 100 to 150 ° C. can get. Each twist number is preferably 180 to 280 times/m, and the twist direction may be either S twist (right) or Z twist (left).
前記ステッチ糸の撚り係数Kは、500~20000の範囲が好ましく、より好ましくは1000~15000、さらに好ましくは2000~10000、さらにより好ましくは3000~10000である。撚り係数Kは次の式によって求めることができる。
K = T × D1/2
但し、Tは撚り回数(回/m)、Dは繊度(decitex)
The twist coefficient K of the stitch yarn is preferably in the range of 500 to 20,000, more preferably 1,000 to 15,000, even more preferably 2,000 to 10,000, still more preferably 3,000 to 10,000. The twist coefficient K can be obtained by the following formula.
K = T x D1 /2
However, T is the number of twists (twist/m), D is the fineness (decitex)
前記ステッチ糸の捲縮率は、JIS L1015 8.12に準拠した測定において、1%以上が好ましく、より好ましくは1~5%であり、さらに好ましくは1.1~4%である。残留捲縮率も捲縮率と同程度が好ましい。捲縮率が前記の範囲であるとステッチ糸の嵩高性が向上し、成形時の樹脂の含浸性と含浸速度が良好となり、且つ、編みやすいステッチ糸となる。また、捲縮率が前記の範囲であると多軸繊維基材のステッチ糸による収縮が抑制される。 The crimp rate of the stitch yarn is preferably 1% or more, more preferably 1 to 5%, still more preferably 1.1 to 4%, as measured according to JIS L1015 8.12. The residual crimp ratio is preferably about the same as the crimp ratio. When the crimp rate is within the above range, the bulkiness of the stitch yarn is improved, the resin impregnation property and the impregnation speed during molding are improved, and the stitch yarn is easy to knit. Further, when the crimp rate is within the above range, shrinkage due to stitch yarns of the multiaxial fiber base material is suppressed.
前記ステッチ糸は、捲縮を有する複数本のマルチフィラメント糸の撚糸であるが、前記マルチフィラメント糸の単繊維の繊度は、1~6decitexが好ましく、より好ましくは1.5~5decitex、さらに好ましくは2~4decitexである。単繊維の繊度が前記の範囲であると、成形時の樹脂は含浸しやすい。前記ステッチ糸のトータル繊度は、40~600decitexが好ましく、より好ましくは100~500decitexであり、さらに好ましくは150~~400decitexである。前記であれば編みやすいステッチ糸となる。 The stitch yarn is a twisted yarn of a plurality of crimped multifilament yarns, and the fineness of a single fiber of the multifilament yarn is preferably 1 to 6 decitex, more preferably 1.5 to 5 decitex, and still more preferably. 2 to 4 decitex. When the fineness of the monofilament is within the above range, the resin is easily impregnated during molding. The total fineness of the stitch yarn is preferably 40-600 decitex, more preferably 100-500 decitex, still more preferably 150-400 decitex. If it is the above, it becomes a stitch thread which is easy to knit.
前記ステッチ糸は、マルチフィラメント糸を複数本撚り合わせた撚糸であるが、マルチフィラメント糸の撚り合わせ本数は、好ましくは2~10本、より好ましくは3~8本、さらに好ましくは4~6本である。マルチフィラメント糸を複数本撚り合わせて束ねた後、加熱して熱セットし、それにさらに同方向に撚りをかけるとことにより嵩高性が増して樹脂が流れる空間ができ、成形時の樹脂の含性が向上する。 The stitch yarn is a twisted yarn obtained by twisting a plurality of multifilament yarns, and the number of twisted multifilament yarns is preferably 2 to 10, more preferably 3 to 8, and even more preferably 4 to 6. is. After twisting and bundling multiple multifilament yarns, they are heated and heat set, and then twisted in the same direction to increase bulkiness and create a space for resin to flow, allowing the resin to contain during molding. improves.
前記ステッチ糸は、芯鞘コンジュゲート糸(芯鞘型複合繊維からなるマルチフィラメント糸の撚糸)であり、芯鞘型複合繊維の芯成分が相対的に高融点のポリマー、鞘成分が相対的に低融点のポリマーの熱融着糸が好ましい。ステッチ糸として上記の芯鞘コンジュゲート糸を使用することにより、強化繊維層や補助繊維層を構成する繊維に鞘部が融着し、多軸繊維基材の加工性が向上する。 The stitch yarn is a core-sheath conjugate yarn (twisted multifilament yarn composed of a core-sheath type composite fiber), and the core component of the core-sheath type composite fiber is a relatively high-melting polymer, Heat-sealable yarns of low melting point polymers are preferred. By using the above-described core-sheath conjugate yarn as the stitch yarn, the sheath is fused to the fibers constituting the reinforcing fiber layer and the auxiliary fiber layer, improving the workability of the multiaxial fiber base material.
前記ステッチ糸は、ポリエステル系熱融着コンジュゲート糸が好ましい。 The stitch yarn is preferably a polyester heat-sealable conjugate yarn.
前記ステッチ糸の編み方向は、基準となる強化繊維層の炭素繊維束の長手方向と同一方向、すなわち、多軸繊維基材のMD方向と同方向であると好ましい。ステッチ糸の延びる方向に対して、少なくとも1層の強化繊維層の炭素繊維束が0°方向に配向されていると好ましい。ステッチ列の密度は、2~10列/インチ(2~10ゲージ/インチ)が好ましい。 The weaving direction of the stitch yarn is preferably the same direction as the longitudinal direction of the carbon fiber bundle of the reinforcing fiber layer serving as the reference, that is, the same direction as the MD direction of the multiaxial fiber base material. It is preferable that the carbon fiber bundles of at least one reinforcing fiber layer are oriented in a direction of 0° with respect to the direction in which the stitch threads extend. The stitch row density is preferably 2-10 rows/inch (2-10 gauge/inch).
前記多軸繊維基材は、加熱ロール圧着により、その平面性を整えられていると好ましい。加熱ロール温度は、ステッチ糸が溶着しない温度が好ましく、例えば、好ましくは140~180℃、より好ましくは150~170℃である。 It is preferable that the multiaxial fiber base material has its flatness adjusted by hot roll pressure bonding. The temperature of the heating roll is preferably a temperature at which the stitch yarn is not welded, for example, preferably 140 to 180°C, more preferably 150 to 170°C.
[強化繊維樹脂成形体]
前記多軸繊維基材にたいして、レジントランスファーモールディング法(RTM法)又はバキューム・アシスティッド・レジントランスファ成形法(VaRTM法)により、熱硬化性樹脂を含浸させて強化繊維樹脂成形体とするのが好ましい。これらの方法は、前記多軸繊維基材のステッチ糸部分から樹脂が含浸されやすいので、好適である。前記多軸繊維基材への熱硬化性樹脂の含浸および賦形は、多軸繊維基材を、好ましくは1~200枚積層した状態、より好ましくは2~200枚積層した状態で行うのが好ましい。すなわち、本発明は、一態様において、1枚の多軸繊維基材、又は多軸繊維基材が複数枚積層された積層体に対して、レジントランスファーモールディング法(RTM法)又はバキューム・アシスティッド・レジントランスファ成形法(VaRTM法)により、熱硬化性樹脂を含浸させることを含む、強化繊維樹脂成形体の製造方法に関する。
[Reinforcing fiber resin molding]
The multiaxial fiber base material is preferably impregnated with a thermosetting resin by a resin transfer molding method (RTM method) or a vacuum assisted resin transfer molding method (VaRTM method) to form a reinforcing fiber resin molding. These methods are preferable because the resin is easily impregnated from the stitch yarn portion of the multiaxial fiber base material. The impregnation and shaping of the thermosetting resin into the multiaxial fiber base material is preferably carried out in a state in which 1 to 200 sheets of the multiaxial fiber base material are laminated, more preferably in a state in which 2 to 200 sheets are laminated. preferable. That is, in one aspect of the present invention, a resin transfer molding method (RTM method) or a vacuum assisted molding method is applied to one multiaxial fiber base material or a laminate in which a plurality of multiaxial fiber base materials are laminated. The present invention relates to a method for producing a reinforcing fiber resin molding, including impregnating a thermosetting resin by a resin transfer molding method (VaRTM method).
熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、シアネートエステル樹脂、ビスマレイミド樹脂、ベンゾオキサジン樹脂などが挙げられる。また、これら各樹脂の変性体を用いてもよいし、複数種の樹脂をブレンドして用いてもよい。また、熱硬化性樹脂には、硬化剤、各種添加剤、フィラー、着色剤等を添加してもよい。 Examples of thermosetting resins include epoxy resins, phenol resins, vinyl ester resins, unsaturated polyester resins, cyanate ester resins, bismaleimide resins, and benzoxazine resins. Further, a modified body of each of these resins may be used, or plural kinds of resins may be blended and used. Further, a curing agent, various additives, fillers, coloring agents, etc. may be added to the thermosetting resin.
前記強化繊維樹脂成形体の製造方法において、強化繊維樹脂成形体の成形は、常温下で行い、VaRTM法の場合は1MPa程度の真空度とするのが好ましい。強化繊維樹脂成形体における、繊維体積比率(Vf)は50~60%が好ましい。 In the manufacturing method of the reinforcing fiber resin molded article, the molding of the reinforcing fiber resin molded article is preferably performed at room temperature, and in the case of the VaRTM method, the degree of vacuum is preferably about 1 MPa. The fiber volume ratio (Vf) in the reinforcing fiber resin molding is preferably 50 to 60%.
以下図面を用いて説明する。以下の図面において、同一符号は同一物を示す。図1は、本発明の一実施形態の多軸繊維基材を構成するステッチ糸を構成するコンジュゲート繊維(芯鞘型複合繊維)1の模式的断面図である。このコンジュゲート繊維1は芯成分2がポリエチレンテレフタレート(融点256~260℃)、鞘成分3が共重合ポリエステルであり、190℃程度で熱融着する。
Description will be made below with reference to the drawings. In the following drawings, the same symbols indicate the same items. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a conjugate fiber (core-sheath type composite fiber) 1 forming a stitch yarn forming a multiaxial fiber base material of one embodiment of the present invention. The
図2は、本発明の一実施形態の多軸繊維基材を構成するステッチ糸の模式的斜視図であり、図2に示したステッチ糸は、芯鞘型複合繊維からなるマルチフィラメント糸5a-5dを4本引き揃え、実撚りし、熱処理しながら再度同一方向に追撚して得た、実撚り-追撚りをして得た糸である。 FIG. 2 is a schematic perspective view of stitch yarns constituting the multiaxial fiber base material of one embodiment of the present invention. The stitch yarns shown in FIG. It is a yarn obtained by real-twisting and additional-twisting, obtained by aligning four strands of 5d, real-twisting them, and additionally twisting them again in the same direction while heat-treating them.
図3は、本発明の一実施形態の多軸繊維基材の模式的斜視図である。図3に示されるように、本発明の一実施形態の多軸繊維基材6は、多軸挿入たて編み物である。多軸繊維基材6は、複数の炭素繊維束7が並列に配置されている強化繊維層70と、補助繊維層80,90とを含む。補助繊維層80,90を構成する補助繊維8,9の配向方向は、各々、炭素繊維束7の配向方向とは異なる。炭素繊維束7と補助繊維8,9は、ステッチ用ニードル10に掛けられたステッチ糸4によって厚さ方向にステッチング(結束)され、一体化されている。ステッチ糸による一体化は、一定間隔に設けられたステッチ用ニードル10を用いて鎖編み(チェーンステッチ)等をしながらステッチ糸を、強化繊維層70と補助繊維層80,90の積層体に貫通させることにより行われる。ステッチ糸による各層の締め付けの程度や、鎖編みのループ間隔、ステッチ列の密度等は、熱硬化性樹脂の含浸性や含浸速度を考慮して設定される。この例では、炭素繊維束7の長手方向を0°としたとき、補助繊維を+60°と-60°に配列させて全体を一体化している。
FIG. 3 is a schematic perspective view of a multiaxial fiber base material according to one embodiment of the present invention. As shown in Figure 3, the
図4は、一般的なVaRTM法の模式的断面図である。図4に示したVaRTM装置11では、金属板12の上に多軸繊維基材13を載置し、その表面にピールプライ(剥離シート)14とメディア(樹脂拡散用網状シート)15を載せ、その表面をパッキングフィルム16で覆い、右端の樹脂流入口17から液状の樹脂を供給し、左端の吸引口18から真空引きして、液状樹脂を矢印Aの方向に移動させる。これにより、多軸繊維基材13内に液状樹脂を含浸させる。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a general VaRTM method. In the
以下実施例を用いて本発明を具体的に説明する。なお、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。測定方法は次のとおりである。 The present invention will be specifically described below using examples. In addition, the present invention is not limited to the following examples. The measurement method is as follows.
<撚り係数K>
実撚り(追撚)の際の撚り係数Kは下記の式によって算出した。
K = T × D1/2
但し、Tは撚り回数(回/m)、Dは繊度decitexである。
<Twist factor K>
The twist coefficient K in real twisting (additional twisting) was calculated by the following formula.
K = T x D1 /2
However, T is the number of twists (twists/m), and D is decitex.
<捲縮率及び残留捲縮率>
測定対象となる糸(試料)に0.18mN×テックス数の初荷重をかけた時の長さ(mm)と、4.41mN×テックス数の荷重をかけた時の長さ(mm)から、次の式により捲縮率(Cp)及び残留捲縮率(Cpr)を算出した。測定回数20回の平均値を下記表1に示している。
Cp(%)={(b-a)/b}×100
Cpr(%)={(b-c)/b}×100
サンプル長:20mm(把持長:5mm×2か所)
a:初荷重をかけた時の長さ(mm)
b:4.41mN×テックス数の荷重をかけた時の長さ(mm)
c:120秒間放置(待機)後初荷重をかけた時の長さ(mm)
尚、図11は本発明の一実施例の捲縮率及び残留捲縮率の測定時のグラフである。縦軸は試験力(mN)、横軸は時間(sec)である。上記a,b,cは、各々図11に示した時点の値である。
<Crimp rate and residual crimp rate>
From the length (mm) when an initial load of 0.18 mN × number of tex is applied to the yarn (sample) to be measured and the length (mm) when a load of 4.41 mN × number of tex is applied, The crimp rate (Cp) and residual crimp rate (Cpr) were calculated according to the following equations. The average value of 20 measurements is shown in Table 1 below.
Cp (%) = {(ba)/b} x 100
Cpr (%) = {(bc)/b} x 100
Sample length: 20 mm (grip length: 5 mm x 2 locations)
a: Length when initial load is applied (mm)
b: length (mm) when a load of 4.41 mN x number of tex is applied
c: Length (mm) when the initial load is applied after being left for 120 seconds (standby)
FIG. 11 is a graph showing the measurement of crimp rate and residual crimp rate in one example of the present invention. The vertical axis is test force (mN) and the horizontal axis is time (sec). The above a, b, and c are the values at the time shown in FIG.
(実施例1)
(1)ステッチ糸
芯成分がポリエチレンテレフタレート(融点256~260℃)、鞘成分が共重合ポリエステル(融点約190℃)であり、単繊維の繊度2.3decitex、トータル繊度:56decitex,フィラメント数24本のコンジュゲートマルチフィラメント糸を使用した。この糸はKBセーレン社製、商品名"ベルカップル"として市販されている。室温25~30℃(空調で調整)、湿度45~60%程度(加湿等していない)の雰囲気下で、この糸を4本引き揃え、250回/mの実撚(撚り方向S)を加えた後、140℃で熱処理しながら(140°の雰囲気下を通過させながら)、再度250回/mの実撚(撚り方向S)を加えて、これをステッチ糸とした。撚り係数Kは7485であった。また、得られたステッチ糸は、下記の比較例1,2で使用したステッチ糸よりも嵩高で丸みのある糸であった。
(Example 1)
(1) Stitch thread Core component is polyethylene terephthalate (melting point: 256-260°C), sheath component is copolyester (melting point: about 190°C), fineness of single fiber is 2.3 decitex, total fineness is 56 decitex, number of filaments is 24. of conjugated multifilament yarn was used. This yarn is commercially available from KB Seiren Co., Ltd. under the trade name of "Bell Couple". In an atmosphere with a room temperature of 25 to 30°C (adjusted by air conditioning) and a humidity of about 45 to 60% (not humidified, etc.), 4 of these yarns are aligned and real twisted (twisting direction S) at 250 times / m. After the addition, while heat-treating at 140° C. (passing through an atmosphere of 140°), real twist (twisting direction S) of 250 turns/m was again applied to obtain a stitch yarn. The twist factor K was 7485. The obtained stitch yarn was bulkier and rounder than the stitch yarn used in Comparative Examples 1 and 2 below.
(2)多軸繊維基材の内容
ステッチ糸以外は倉敷紡績社製、商品名"CFクラマス UD618"の材料を使用した。内容は次のとおりである。
・炭素繊維束:50K(三菱ケミカル社製、品番:TRW40 50)、直径0.6mm
・ガラス繊維:繊度67tex(日東紡績製、Eガラス)
(2) Contents of multiaxial fiber base material Materials other than stitch yarns, manufactured by Kurashiki Boseki Co., Ltd., under the trade name of "CF Kuramas UD618" were used. The contents are as follows.
・ Carbon fiber bundle: 50K (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation, product number: TRW40 50), diameter 0.6 mm
・Glass fiber: Fineness 67 tex (manufactured by Nitto Boseki, E glass)
(3)多軸繊維基材の製造
多軸繊維基材の製造を下記の手順で行った。
・ガラス繊維(補助繊維)を+60°方向に配置した。
・上記の上に、ガラス繊維(補助繊維)を-60°方向に積層した。
・炭素繊維束を一方向(UD方向)に積層した。
・2層の補助繊維層と強化繊維層からなる積層体に対してステッチ糸で縦方向(炭素繊維束の配向方向)に沿って編み込んでいき、一体化した(図3)。ステッチ列の密度は、5列/インチ(5ゲージ/インチ)とした。
・得られた多軸繊維基材を、平面性を整えるためにニップロールを用いて150℃で熱圧着した。
・得られた多軸繊維基材の単位面積当たりの質量(目付)は618g/m2であり、その内訳は炭素繊維(主となる繊維束)の目付が585g/m2、ガラス繊維(補助糸)の目付が8g/m2×2式(+60°と-60°)、ステッチ糸の目付:17g/m2であった。多軸繊維基材の幅は150mmであった。
(3) Production of multiaxial fiber base material A multiaxial fiber base material was produced in the following procedure.
・Glass fibers (auxiliary fibers) were arranged in the direction of +60°.
・On the above, glass fibers (auxiliary fibers) were laminated in the -60° direction.
・The carbon fiber bundles were laminated in one direction (UD direction).
・A laminate consisting of two layers of auxiliary fiber layers and reinforcing fiber layers was woven with stitch threads along the longitudinal direction (orientation direction of carbon fiber bundles) to integrate them (Fig. 3). The stitch row density was 5 rows/inch (5 gauge/inch).
- The obtained multiaxial fiber base material was heat-pressed at 150°C using nip rolls in order to adjust the flatness.
・The mass (basis weight) per unit area of the obtained multiaxial fiber base material was 618 g/m 2 , the breakdown of which was 585 g/
(4)VaRTM法成形
図5A及び図5Bに示すVaRTM装置19を用いて、VaRTM法で、強化繊維樹脂成形体を成形した。使用したVaRTM装置19は、長さ400mm、幅150mmの金属板12の上に多軸繊維基材13を載置し、多軸繊維基材13の上にピールプライ(剥離シート)14とメディア(樹脂拡散用網状シート)15とをこの順で載せ、成形面全体の表面をパッキングフィルム16で覆い、右端の樹脂流入口17から液状の樹脂を供給し、左端の吸引口18から真空引きして、液状樹脂を矢印Aの方向に移動させ、これにより、多軸繊維基材13内に液状樹脂を含浸させた。ただし、VaRTM装置19では、メディア(樹脂拡散用網状シート)15は、樹脂流入口17から矢印Aの方向に100mmまでの領域、以下「メディア部15」という)にのみ配置されている。
・この実施例では、金属板12の上に6枚の多軸繊維基材を積層した。
・6枚の多軸繊維基材は、いずれも炭素繊維束の配向方向が同方向となるように積層した。
・メディア部15と重ならないように、6枚積層した多軸繊維基材を金属板12の上に載置した。
・上面からバッキングフィルムを被せて密閉状態にした。樹脂注入部は、メディア部から行った。
・1MPaで真空引きをしながら、エポキシ樹脂を、炭素繊維束の配向方向に対しての0°方向と90°方向の2通りで注入した。
・成形温度は常温(25℃)とし、一定時間樹脂を注入・含浸させて、繊維強化複合材を成形した。
・マトリックス樹脂はエポキシ樹脂、Guangdong Broadwin社製、商品名"EpoTech"とした。
・繊維体積比率(Vf)は55%となるようにした。
(4) VaRTM Method Molding Using the
- In this example, six multiaxial fiber base materials were laminated on the
・The six multiaxial fiber substrates were laminated so that the orientation direction of the carbon fiber bundles was the same.
- The multiaxial fiber base material laminated with 6 sheets was placed on the
- Covered with a backing film from the top to make it airtight. The resin injection part was performed from the media part.
・While vacuuming at 1 MPa, the epoxy resin was injected in two directions of 0° direction and 90° direction with respect to the orientation direction of the carbon fiber bundle.
・The molding temperature was normal temperature (25° C.), and the fiber-reinforced composite material was molded by injecting and impregnating the resin for a certain period of time.
The matrix resin was an epoxy resin manufactured by Guangdong Broadwin under the trade name of "EpoTech".
- The fiber volume ratio (Vf) was set to 55%.
(実施例2)
ステッチ糸として、KBセーレン社製、商品名"ベルカップル"、 単繊維の繊度が2.3decitex、トータル繊度が56decitex,フィラメント数24本のコンジュゲートマルチフィラメント糸2本と、単繊維の繊度が3.5decitex、トータル繊度が84decitex,フィラメント数24本のコンジュゲートマルチフィラメント糸1本を引き揃え、230回/mの実撚(撚り方向S)を加え、140℃で熱処理しながら、再度230回/mの実撚(撚り方向S)を加えて、これをステッチ糸とした。撚り係数Kは6440であった。それ以外は実施例1と同様に実施した。また、得られたステッチ糸は、下記の比較例1,2で使用したステッチ糸よりも嵩高で丸みのある糸であった。
(Example 2)
As the stitch thread, KB Seiren Co., Ltd., trade name "Bellcouple", single fiber fineness is 2.3 decitex, total fineness is 56 decitex, two conjugate multifilament threads with 24 filaments, and single fiber fineness is 3. 5 decitex, total fineness is 84 decitex, one conjugate multifilament yarn with 24 filaments is pulled, 230 times / m real twist (twist direction S) is added, and while heat treatment is performed at 140 ° C., 230 times / A real twist (twisting direction S) of m was applied to obtain a stitch yarn. The twist factor K was 6440. Other than that was carried out in the same manner as in Example 1. The obtained stitch yarn was bulkier and rounder than the stitch yarn used in Comparative Examples 1 and 2 below.
(比較例1)
ステッチ糸として、単繊維の繊度10.4decitex、トータル繊度:167decitex,フィラメント数16本のコンジュゲートマルチフィラメント糸(KBセーレン社製、商品名"ベルカップル")を1本、230回/mの実撚(撚り方向S)を加え、140℃で熱処理しながら、再度230回/mの実撚(撚り方向S)を加えて、これをステッチ糸とした。撚り係数Kは5943であった。それ以外は実施例1と同様に実施した。
(Comparative example 1)
As a stitch thread, a single fiber fineness of 10.4 decitex, a total fineness of 167 decitex, and a conjugate multifilament thread of 16 filaments (manufactured by KB Seiren Co., Ltd., trade name "Bell Couple") was used. Twisting (twisting direction S) was applied, and while heat-treating at 140° C., real twisting (twisting direction S) was applied again at 230 turns/m to obtain a stitch yarn. The twist factor K was 5943. Other than that was carried out in the same manner as in Example 1.
(比較例2)
ステッチ糸として、単繊維の繊度10.4decitex、トータル繊度:167decitex,フィラメント数16本のコンジュゲートマルチフィラメント糸(KBセーレン社製、商品名"ベルカップル")を1本、撚りを掛けずに生糸のまま使用した以外は実施例1と同様に実施した。
以上の条件はまとめて表1及び表2に示す。
(Comparative example 2)
As a stitch thread, a single filament fineness of 10.4 decitex, a total fineness of 167 decitex, and a conjugate multifilament thread of 16 filaments (manufactured by KB Seiren Co., Ltd., trade name "Bell Couple") was used as raw silk without twisting. The procedure was carried out in the same manner as in Example 1, except that it was used as is.
The above conditions are summarized in Tables 1 and 2.
含浸性の評価は下記の通り行った。
Evaluation of impregnability was performed as follows.
表2から、実施例1及び実施例2は樹脂の含浸性及び含浸速度が良好であることがわかる。 From Table 2, it can be seen that Examples 1 and 2 are excellent in resin impregnability and impregnation rate.
(成形体の評価)
(1)断面観察
図6Aは、本発明の一実施例で得られた成形体の長手方向(炭素繊維束の配向方向)に対して直交するように厚み方向に切断した断面の写真、図6Bは、同写真のトレース図である。また、図7Aは、本発明の一実施例で得られた成形体の長手方向に沿って切断した断面の写真、図7Bは、同写真のトレース図である。図6A及び図7Aの写真から明らかなとおり、ボイドは認められず、樹脂の含浸性は良好であった。図6B及び図7Bのトレース図において、成形体20は樹脂含浸多軸繊維基材部分21と樹脂部分22で構成されている。
(Evaluation of compact)
(1) Cross-sectional observation FIG. 6A is a photograph of a cross-section cut in the thickness direction perpendicular to the longitudinal direction (orientation direction of carbon fiber bundles) of the molded article obtained in one example of the present invention, and FIG. 6B. is a trace diagram of the same photograph. Moreover, FIG. 7A is a photograph of a cross section cut along the longitudinal direction of a molded article obtained in an example of the present invention, and FIG. 7B is a trace diagram of the same photograph. As is clear from the photographs of FIGS. 6A and 7A, no voids were observed, and the impregnating property of the resin was good. 6B and 7B, the molded
実施例1の成形体のうちの、炭素繊維束の配向方向に対しての0°方向から樹脂を注入して得た成形体を、炭素繊維束の長さが140mmとなるように切断して、サンプルを作製し、下記条件で3点曲げ試験を行った。
(2)3点曲げ試験
・サンプル:長さ:140mm、幅:15.7mm、厚さ:3.6mm
・状態調節:温度23℃、相対湿度50%RHの雰囲気下で48時間以上静置した。
・試験:3点曲げ試験(JIS K7074準拠)
・装置:精密万能試験機AG-50kNXDplus(島津製作所社製)
・測定方向:メディア面(表面)、ツール面(裏面)
・治具:圧子=R5(角の丸み5mm)、支点=R2(角の丸み2mm)
・下部支持間隔:140mm
・試験速度:1mm/min
・試験数は5とし、平均値を算出した。
Among the molded bodies of Example 1, the molded body obtained by injecting the resin from the 0° direction with respect to the orientation direction of the carbon fiber bundles was cut so that the length of the carbon fiber bundles was 140 mm. , a sample was prepared and subjected to a three-point bending test under the following conditions.
(2) 3-point bending test Sample: length: 140 mm, width: 15.7 mm, thickness: 3.6 mm
-Conditioning: Allowed to stand still for 48 hours or more in an atmosphere of 23°C temperature and 50% RH relative humidity.
・Test: 3-point bending test (JIS K7074 compliant)
・Equipment: Precision universal testing machine AG-50kNXDplus (manufactured by Shimadzu Corporation)
・Measurement direction: media side (front side), tool side (back side)
・Jig: indenter = R5 (corner roundness 5mm), fulcrum = R2 (corner roundness 2mm)
・Lower support interval: 140mm
・Test speed: 1mm/min
・The number of tests was set to 5, and the average value was calculated.
3点曲げ試験の測定結果を表3と図8及び図9に示す。図8は、実施例1で得られた成形体のツール面を下にして測定した3点曲げ試験のグラフであり、図9は同成形体のメディア面を下にして測定した3点曲げ試験のグラフである。表3には、試験数5の平均値を示しており、図8及び図9のグラフは、1つ目のサンプルについての測定結果であり、完全一致はしない。 Table 3 and FIGS. 8 and 9 show the measurement results of the three-point bending test. FIG. 8 is a graph of a three-point bending test measured with the tool surface of the compact obtained in Example 1 facing down, and FIG. 9 shows a three-point bending test measured with the media surface of the same compact facing down. is a graph of Table 3 shows the average values of 5 tests, and the graphs in FIGS. 8 and 9 are the measurement results of the first sample, which do not match perfectly.
表3と図8及び図9の結果から、ツール面とメディア面の特性は近似しており、均質性であることから、樹脂の含浸性が良好であることが確認できた。 From the results in Table 3 and FIGS. 8 and 9, it was confirmed that the properties of the tool surface and the media surface were similar and homogeneous, and therefore the impregnating property of the resin was good.
(3)引っ張り試験
実施例1の成形体のうちの、炭素繊維束の配向方向に対しての0°方向から樹脂を注入して得た成形体を、炭素繊維束の長さが250mmとなるように切断して、サンプルを作製し、下記条件で引っ張り試験を行った。
・サンプル:長さ250mm、幅15mm、厚さ3.4mm
・状態調節:温度23℃、相対湿度50%RHの雰囲気下で48時間以上静置した。
・試験:引っ張り試験、JIS K7165準拠
・装置:万能材料試験機55R-4206型(インストロン社)
・チャック間距離:150mm
・試験速度:1mm/min
・試験数6
引っ張り試験の測定結果を表4と図10に示す。
(3) Tensile test Among the molded bodies of Example 1, the molded body obtained by injecting the resin from the direction of 0° with respect to the orientation direction of the carbon fiber bundles was measured so that the length of the carbon fiber bundles was 250 mm. A sample was prepared by cutting in the following manner, and a tensile test was performed under the following conditions.
・Sample: length 250 mm,
-Conditioning: Allowed to stand still for 48 hours or more in an atmosphere of 23°C temperature and 50% RH relative humidity.
・Test: Tensile test, compliant with JIS K7165 ・Equipment: Universal material testing machine 55R-4206 type (Instron)
・Distance between chucks: 150mm
・Test speed: 1mm/min
・Number of tests: 6
Table 4 and FIG. 10 show the measurement results of the tensile test.
以上の結果から、本発明の実施例の成形体にはボイド等がなくて含浸性に優れており、実用に十分な性能を有していることが確認できた。また、捲縮を有する複数本のマルチフィラメント糸の撚糸をステッチ糸として用いたことにより、樹脂溶液が含浸しやすく、含浸速度が高いことも確認できた。 From the above results, it was confirmed that the molded articles of the examples of the present invention had no voids and the like, were excellent in impregnability, and had sufficient performance for practical use. It was also confirmed that by using a twisted yarn of a plurality of crimped multifilament yarns as a stitch yarn, the resin solution is easily impregnated and the impregnation speed is high.
本発明の多軸繊維基材は、成形体への成形時の樹脂の含浸性と含浸速度が良好であるので、これを用いて成形された強化繊維樹脂成形体は、ボイドのような成形不良が生じることが抑制されており、例えば、航空・宇宙分野、スポーツ用途、自動車、風車ブレードなどの高い機械的特性や耐衝撃性が要求される分野の繊維強化材として有用である。 Since the multiaxial fiber base material of the present invention has good resin impregnating property and impregnation rate during molding into a molded body, a reinforcing fiber resin molded body molded using this multiaxial fiber base material has molding defects such as voids. The occurrence of is suppressed, for example, it is useful as a fiber reinforcement in fields that require high mechanical properties and impact resistance, such as the aerospace field, sports applications, automobiles, and windmill blades.
1 ステッチ糸を構成するコンジュゲート繊維(単繊維)
2 芯成分
3 鞘成分
4 ステッチ糸
5a,5b,5c,5d マルチフィラメント糸
6,13 多軸繊維基材
7 炭素繊維束
70 炭素繊維層
8,9 補助繊維
80,90 補助繊維層
10 ステッチ用ニードル
11,19 VaRTM装置
12 金属板
13 多軸繊維基材
14 ピールプライ(剥離シート)
15 メディア(樹脂拡散用網状シート)
16 パッキングフィルム
17 樹脂流入口
18 吸引口
20 成形体
21 樹脂含浸多軸繊維基材部分
22 樹脂部分
1 Conjugate fiber (single fiber) constituting stitch yarn
2
15 media (mesh sheet for resin diffusion)
16
Claims (11)
補助繊維が前記炭素繊維束の長手方向とは異なる角度で配置されている補助繊維層とを含み、
前記炭素繊維束と前記補助繊維とがステッチ糸で一体化された多軸繊維基材であって、
前記ステッチ糸が、捲縮を有する複数本のマルチフィラメント糸の撚糸である、多軸繊維基材。 a reinforcing fiber layer in which carbon fiber bundles are arranged in parallel;
an auxiliary fiber layer in which auxiliary fibers are arranged at an angle different from the longitudinal direction of the carbon fiber bundle;
A multiaxial fiber base material in which the carbon fiber bundle and the auxiliary fiber are integrated with stitch yarn,
The multiaxial fiber base material, wherein the stitch yarn is a twisted yarn of a plurality of crimped multifilament yarns.
ここで、撚り係数Kは次の式によって求める。
K = T × D1/2
但し、Tは撚り回数(回/m)、Dは繊度(decitex)である。 2. The multiaxial fiber base material according to claim 1, wherein the twist coefficient K of said stitch yarn is in the range of 500-20,000.
Here, the twist coefficient K is obtained by the following formula.
K = T x D1 /2
However, T is the number of twists (turns/m) and D is the fineness (decitex).
前記ステッチ糸の繊度は40~600decitexである請求項1~4のいずれかに記載の多軸繊維基材。 The fineness of the single filament of the filament constituting the stitch yarn is 1 to 6 decitex,
The multiaxial fiber base material according to any one of claims 1 to 4, wherein the stitch yarn has a fineness of 40 to 600 decitex.
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